ZÁKLADNÍ POJMY. Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace P r e z e n t a c e 1

30.11.2016

30.11.2016

I NOVACE B AK AL ÁŘS K ÝCH A M AG I S TERS K ÝC H S TU D I J NÍ CH O B O R Ů N A H O R N I C KO - G EO L O G I C K É FA K U LT Ě V Š B - T U O

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace P r e ze n t a c e 1 GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY David Vojtek Institut geoinformatiky Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

30.11.2016

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. ESF napomáhá rozvoji lidských zdrojů a podnikatelského ducha.

Základní pojmy Historie lokalizace a navigace Základní metody rádiové navigace a lokalizace Pozemní rádiová navigace a lokalizace Historie kosmické rádiové navigace a lokalizace Současné a budoucí GNSS

30.11.2016

     

Vymezení důležitých pojmů a vymezení základních metod nepřímé lokalizace.

ZÁKLADNÍ POJMY

1

30.11.2016

30.11.2016

Lokalizace

je proces určení polohy určitého bodu v prostoru.

Navigace

je proces určování optimální cesty a směru k danému cíli.

Rádiolokalizace je proces určení polohy určitého objektu v prostoru s využitím elektromagnetických vln.

30.11.2016

Převzato z VEŘ00

Rádionavigace

je proces určování optimální cesty a směru k danému cíli s využitím elektromagnetických vln.

Aktivní metody systém pracuje s vlastním zdrojem elektromagnetického vlnění (systém vysílá elektromagnetické vlnění).

Pasivní metody systém nevysílá elektromagnetické vlnění, pracuje pouze s příjmem.

30.11.2016

Převzato z VEŘ00

Navigace  V čase a prostoru dynamický proces.  Kompromis mezi požadovanou rychlosti navigace a polohovou přesnosti navigace. Lokalizace  Prostorově statický proces.  Přesnost lokalizace není většinou podmíněná časovým omezením v délce měření a výpočtu.

2

30.11.2016

30.11.2016

Přímé metody lokalizace  Lokalizace přímým odměřením polohy ve zvoleném souřadnicového systému.  Prostorové souřadnice [x, y, z] nebo [λ, ϕ, h(H)]  Rovinné souřadnice [x, y, h(H)]

Nepřímé metody lokalizace  Vyhodnocení jiných veličin než souřadnic.

30.11.2016

Převzato z RAP02

 S narůstající rozlohou plochy zájmové oblasti je obtížně realizovatelné.  Je dobře realizovatelné v lineárních souřadnicových systémech, např. staničení na vodních tocích, železnicích nebo komunikacích. Otázka: Je technologie GPS nástrojem pro přímé určení polohy?

30.11.2016

Převzato z RAP97

 Jsou nutné orientační body!  K orientačním bodů měříme:  Délky (D1,D2,D3)  Úhly (Az1, Az2)  Úhel a délku

Příklady

protínání z délek protínání z úhlu tachymetrie

3

30.11.2016

30.11.2016

Historický vývoj navigace a lokalizace do příchodu rádiové navigace.

30.11.2016

HISTORIE LOKALIZACE A NAVIGACE

 Používání orientačních bodů v krajině  Přirozené (nejstarší) vrcholy kopců a pahorků, kameny, stromy  Umělé kamenné mohyly, označníky na stromech

 Vzdálenost se odměřovala jako čas cestování

30.11.2016

Koncept orientačních bodů přetrval dodnes. Dnes jen používáme složitější metody označování a vyhledávání orientačních bodů.

 Navigace podle orientačních bodů na pobřeží známé tvary pobřeží, signalizační ohně a majáky

Plavba na otevřeném moři vyžaduje nové metody navigace!  Navigace výpočtem do druhé poloviny 17. století  Astronomická navigace od 18. století

4

30.11.2016

30.11.2016

Základní princip navigace výpočtem (angl. Dead Reckoning)

 Současná poloha je vypočtena na základě:  Poslední známe polohy  Směru pohybu

 Rychlosti pohybu  Času trvání pohybu

 Základní metoda navigace  Dostatečně „jednoduchá“ a „nenáročná“

30.11.2016

… „as the old-timers used to say "you're dead if you don't reckon right.„ … „reckoning or reasoning (one's position) relative to something stationary or dead in the water."

 Orientačních body jsou hvězdy, slunce a měsíc  NEBESKÁ ŤELESA MĚNÍ SVOU POLOHU!  BEZ SPOLEHLIVÝCH HODIN LZE STANOVIT POUZE ZEMĚPISNOU ŠÍŘKU POZOROVATELE!  Do 18. století okrajová metoda navigace  Náročné pomůcky almanach (17. stol.), sextant (1759) a chronometr (1764)

30.11.2016

 Metoda pro vzdělané

13. stol. Magnetický kompas První námořní mapy Portolano Charts 15. stol. Objevné plavby s navigaci výpočtem. Směry objevných plaveb sledoval rovnoběžky nebo pobřeží kontinentů.

Nepřesné hodiny (rychlost 4 – 8 uzlů) 1 den chyba 10 minut

týden 7 mil (12 km)

16. stol. Možnost měření rychlosti, tzv. chip log Stále ale převládá dovednost odhadu rychlosti nad měřením.

5

30.11.2016

Středozemní moře a západní pobřeží Evropy Freducci d'Ancona

30.11.2016

30.11.2016

r. 1569 První zobrazení povrchu Země do roviny Mercatorovo zobrazení (možnost zanesení kurzu)

r. 1701 První mapa magnetických deklinací umožňuje použít magnetický kompas

r. 1764 Přesný chronometr1) Johna Harrisona chyba 1/10 sekundy za den

r. 1884 Dohodnutý jednotný nultý poledník Greenwichský

Obchod

30.11.2016

1) Stanovení nejen zeměpisné šířky, ale i délky. Rozdílu času v poledne na 0° poledníku (sledováno chronometrem) a v poledne na lokálním poledníku (slunce je nejvýše nad horizontem). Rozdíl jedné hodiny odpovídá 15° zem. délky.

r. 1907 Gyroskopický kompas Vojenství

není ovlivněn magnetickou deklinací

6

30.11.2016

30.11.2016

Přehled základních metod rádiové navigace a lokalizace.

30.11.2016

ZÁKLADNÍ METODY RÁDIOVÉ NAVIGACE A LOKALIZACE

Multilaterace

Trilaterace

je určení polohy vysílače (přijímače) na základě měření rozdílů časového zpoždění příjmu signálu několika přijímačů (vysílačů) o známé poloze. (TDOA – time difference of arrival) je určení polohy objektu využívající znalost absolutní doby zpoždění šíření signálů mezi vysílačem a přijímačem, přepočtenou na vzdálenost. (rádiový ekvivalent měření délek)

30.11.2016

Převzato z VEŘ00

Triangulace

je určení polohy objektu využívající měření dvou úhlů od základny spojující dva body o známé poloze. (rádiový ekvivalent měření úhlů).

Převzato z VEŘ00

7

30.11.2016

30.11.2016

 Multilaterace rozdíl zpoždění signálů dvou vysílačů a přijímače (LORAN)

 Trilaterace vzdálenost tří vysílačů a přijímače (GPS, GLONASS …)

 Triangulace měření úhlů (VOR/DME)

 Dopplerovská měření

30.11.2016

vychází z principu dopplerovského posunu (TRANSIT)

Nástup nové technologie (rádiové vlny) a systém LORAN.

30.11.2016

POZEMNÍ RÁDIOVÁ NAVIGACE A LOKALIZACE

r. 1887 Heinrich Hertz experimentoval s elektromagnetickým vlněním. r. 1904 V Německu použit na lodích detektor plavidel v kolizním kurzu (dosah 3 km) r. 1930 V Německu systém Lorenz pro navedení letadel na přistání v noci nebo za špatného počasí. Později zdokonaleno pro dálkové navedení bombardérů. Převzato z VEŘ00

8

30.11.2016

30.11.2016

r. 1937 V Německu radar Freya Modernější než Britské Chain Home, ale mnohem komplikovanější.

r. 1940 V Británii systém Gee Využívá principy multilaterace pro navádění bombardérů.

r. 1940 V Británii radary Chain Home. r. 1950 Rozvoj pozemních radionavigačních systémů i pro civilní letectví a námořní dopravu

30.11.2016

Převzato z VEŘ00

    

Vybudován 1940 – 1943 Dosah 1200 milí (1930 km) Pacifik a Atlantik Po válce určen i pro civilní námořní navigaci Oficiálně ukončená činnost 20:00 UTC 8.2.2010  Absolutní přesnost 185-463 metrů  Ruský protějšek systém CHAYKA Inspirace v britském Gee

Vztahy pro geometrickou konstrukci hyperboly D1 – DA = Základna A D1 – DB = Základna B

Sekundární stanice A

XA,YA DA

D1 DB Primární stanice

X1,Y1

Sekundární stanice B

XB,YB

30.11.2016

9

30.11.2016

Námořní mapa New Yorského přístavu zahrnující LORAN-A TD linie

30.11.2016

Pokrytí atlantické a pacifické oblasti signály systému LORAN-C

30.11.2016

30.11.2016

Vývoj kosmické rádiové navigace směrem k systému Navstar GPS.

HISTORIE KOSMICKÉ RÁDIOVÉ NAVIGACE A LOKALIZACE

10

30.11.2016

30.11.2016

 1957 start družice Sputnik 1  Vysílal signál  Byly známy parametry oběžné dráhy Výzkum Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory:

A. Lze určit polohu družice z Dopplerovských pozorování z více stanic? B. Lze inverzně určit polohu stanice z pozorování družice?

30.11.2016

Zdroj: NSSDC Master Catalog by NASA

    

1964 uveden do provozu První funkční družicový navigační systém Určen pro námořní navigaci (U.S. NAVY) Dopplerovská měření 6 družic vysílá:

30.11.2016

 Signál s daty ve 2 minutových intervalech  Efemeridy družice  Vojenská data

 2 minutové pozorování postačilo ponorkám pro lokalizaci  Družice viditelná každých 35 – 120 minut  Od 1967 zpřístupněn pro civilní potřeby  Přesnost od 800 m, postupem doby až 5 m  Zpřesňování lokalizace pod 1 m (referenční stanice - oblast 100 – 500 km)  Provoz ukončen 1996 (GPS FOC 1995)

11

30.11.2016

30.11.2016

DRUŽICE

Hledaná poloha

   

Dopplerova křivka hodnota měnící se frekvence signálu družice vykreslená v čase Pro hledanou polohu družice je její Dopplerova křivka vždy unikátní. Přístroj křivku z přijatých měření sestavil. Přístroj vypočetl testovací křivku pro první odhad polohy. Rekurzivně upřesňoval odhad polohy, aby docílil při jejím testování shody s naměřenou Dopplerovou křivkou.

30.11.2016

Graf zdroj: CHR09

 Vyžadují korekce lokalizovaného objektu na vlastní rychlost  Souřadnice 2D  Nízká přesnost lokalizace  Navigační signály dostupné co 35 – 120 min

30.11.2016

NEPOUŽITELNÉ PRO LETECKOU NAVIGACI!

TIMATION (1964) SECOR (1960)  Přidání dálkoměrného signálu do nosné frekvence vysílání družice  Zajištění časové synchronizace hodin na družici s přesným pozemními hodinami  Přijímač může určit svou polohu RYCHLE A S VYSOKOU PŘESNOSTÍ!

12

30.11.2016

30.11.2016

Stručný přehled existujících navigačních systému, které jsou ve vývoji.

 1973 Navstar GPS (USA)  1976 GLONASS (SSSR)  1997 BEIDOU (Čína) 2000 COMPASS (Čína) 2001 GALILEO (EU) QZSS (Japonsko) IRNSS (Indie)

   

WASS (USA) EGNOS (EU) MSAS (Japonsko) GAGAN (Indie)

1) Satellite Based Augmentation Systems

30.11.2016

   

Zpřesňující systémy SBAS1)

Budoucnost

Družicové navigační systémy

Minulost

30.11.2016

SOUČASNÉ A BUDOUCÍ DRUŽICOVÉ NAVIGAČNÍ SYSTÉMY

DĚKUJI ZA POZORNOST

13

30.11.2016

30.11.2016

 Základní metody lokalizace a navigace  Základní východiska pro lokalizaci a navigaci

30.11.2016

 Základní metody rádiové navigace

KAP05

MOH01

Kaplan, Elliott, D.: Understanding GPS: Principles and Applications, Second Edition, Artech House Publishers; 2 edition, 2005, pages 726, ISBN-10: 1580538940 Mohinder S. G., Lawrence R. W., Angus P. A.: Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration., John Wiley & Sons, Inc. 2001, pages 382, Printed ISBN: 9780471350323 Publikace je dostupná v rámci Knihovny VŠB-TUO na adrese: http://knihovna.vsb.cz/sluzby/e-knihy-wiley.htm

RAP02

Rapant, P,: Družicové polohové systémy – první vydání, VŠB – Technická univerzita Ostrava, stran 200, ISBN 80–248–0124–8 Publikace je dostupná ke stažení na adrese: http://gis.vsb.cz/publikace/dns-gps

Veřták, Ivo.: Rádiové určení polohy - prezentace, 2009, stran 80

CHR09

Christy, R.: Sattelite Tracking: Doppler Satellite Tracking – an Example, Zarya Soviet, Russian and International Space Flights

30.11.2016

VEŘ09

Adrese: http://www.zarya.info/Tracking/Doppler.php

14

30.11.2016

30.11.2016

I NOVACE B AK AL ÁŘS K ÝCH A M AG I S TERS K ÝC H S TU D I J NÍ CH O B O R Ů N A H O R N I C KO - G EO L O G I C K É FA K U LT Ě V Š B - T U O

Studijní opora k předmětu: GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY

Historie a současnost navigace a lokalizace Prezentace 1 Verze 1.2 (revize PR)

David Vojtek Institut geoinformatiky Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava 2010 Prezentace by měla být používaná ve spojení se zdroji, které jsou v ní citované. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. ESF napomáhá rozvoji lidských zdrojů a podnikatelského ducha.

15